WO2009004137A2 - Dispositif integre de surveillance des deformations d'une piece electriquement isolante et procede de fabrication d'un tel dispositif - Google Patents

Dispositif integre de surveillance des deformations d'une piece electriquement isolante et procede de fabrication d'un tel dispositif Download PDF

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optical fiber
bragg grating
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Brigitte Ohl
Sylvie Teyssier
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Schneider Electric Industries Sas
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    • G01M11/083—Testing mechanical properties by using an optical fiber in contact with the device under test [DUT]
    • G01M11/086—Details about the embedment of the optical fiber within the DUT

Definitions

  • the invention relates to the field of devices for monitoring the deformations of a mechanical structure.
  • the invention relates more particularly to an integrated device for monitoring the deformations of an electrically insulating piece for electrical installation, said device comprising an optical fiber in which is formed at least a first Bragg grating.
  • the invention also relates to an electrically insulating piece for electrical installation formed in a composite material, such as an electrically insulating enclosure intended to receive electrical components.
  • the invention also relates to a method of manufacturing an integrated device for monitoring the deformations of an electrically insulating piece for electrical installation.
  • optical fibers comprising Bragg gratings by incorporating them into a mechanical structure in order to measure or detect deformations of this structure.
  • the Bragg grating is generally etched on the optical fiber and has a periodic pattern reproduced with a certain pitch to define a characteristic wavelength of said grating.
  • the sending of an incident light signal in this optical fiber generates multiple reflections by the patterns of the Bragg grating, and in the absence of deformation of this grating, the reflected signal has a wavelength substantially equal to the length characteristic of the network. Any deformation of the portion of the optical fiber comprising the Bragg grating, such as expansion or contraction, causes a variation in the wavelength of the reflected signal which is representative of this deformation.
  • a part of optical fiber comprising a network Bragg can be inserted into a mechanical structure to measure, detect or monitor any deformation of this structure.
  • a particularity of the Bragg gratings etched in the optical fibers is that they are very sensitive to the least deformations having a lower amplitude than the angstrom.
  • French patent application FR2791768 describes such a device comprising a Bragg grating for measuring the deformations of a structure to be monitored, and the means implemented to integrate this device and make it integral with the structure to be monitored.
  • Electrically insulating parts used in electrical installations may be subject to mechanical stresses.
  • these mechanical stresses can be generated by pressure variations of a cutoff gas.
  • These mechanical stresses can also be generated by a plasticization of the electrically insulating material because of, for example, a high level of ambient humidity.
  • the electrically insulating parts used in electrical installations may also be subject to temperature variations, for example heating by the electrical components of the installation or even variations in environmental conditions.
  • Electrically insulating parts used in electrical installations are generally made of a thermosetting matrix composite material.
  • the material of these parts is generally sensitive to temperature variations, which can lead to deformations leading to damage that may be detrimental to the proper functioning of the installations.
  • the material of these electrically insulating parts has a glass transition temperature which can, under certain conditions, be close to the temperature range of use.
  • An object of the present invention is therefore to monitor the deformations of these electrically insulating parts, such as housings or tanks intended to receive electrical components, in order to prevent any risk of damaging the device. installation.
  • a technical problem is the implementation of a monitoring device using an optical fiber in a composite material whose matrix may have a glass transition temperature close to the temperature of use.
  • Another technical problem is the integration of such a device in an electrically insulating part during a molding process often accompanying exothermic reactions.
  • the invention aims to remedy the technical problems of the devices of the prior art by providing an integrated deformation monitoring device of an electrically insulating part for electrical installation, said device comprising an optical fiber in which is formed at least a first Bragg network.
  • the electrically insulating part is made of a thermosetting matrix composite material
  • the optical fiber comprises a mechanical protection sheath made of polyimide material
  • the optical fiber is covered with a coating. comprising at least one compound of the thermosetting matrix.
  • the coating is essentially of the same composition as the thermosetting matrix of the electrically insulating part.
  • the thermosetting matrix comprises at least one compound selected from epoxy, polyurethanes, phenolics and unsaturated polyesters.
  • the thermosetting matrix essentially comprises a compound chosen from epoxy, polyurethane and an unsaturated polyester.
  • the optical fiber comprises a portion in which is formed a second Bragg grating, said portion being mechanically isolated from the electrically insulating part.
  • the portion of the fiber in which the second Bragg grating is formed is covered with an elastomeric layer.
  • the elastomer layer has a thickness of between 0.05 and 0.7 times the diameter of the optical fiber.
  • the invention also relates to an electrically insulating piece for electrical installation formed in a composite material in which the monitoring device described above is integrated in said part.
  • the invention also relates to an electrically insulating enclosure, intended to receive electrical components, formed in a composite material in which the monitoring device described above is integrated in said enclosure.
  • the invention also relates to a method of manufacturing an integrated device for monitoring the deformations of an electrically insulating piece for electrical installation, said method comprising:
  • a step of coating an optical fiber in which at least one first Bragg grating is formed by a coating composition comprising at least one compound of the thermosetting matrix of the electrically insulating part
  • the coating composition consists essentially of the compounds of the thermosetting matrix of the electrically insulating part.
  • the coating step comprises:
  • the method comprises a step of pre-coating a portion of the fiber, in which a second Bragg grating is formed by an elastomer layer.
  • the prior coating step comprises:
  • the prior coating step comprises an initial masking of at least a portion of the optical fiber in which is formed the first Bragg grating.
  • Figure 1 shows an example of implementation of the integrated monitoring device according to the invention on the wall of a tank or a housing for an electrical installation.
  • Figure 2 shows a first embodiment of the device according to the invention comprising an optical fiber in which is formed a Bragg grating.
  • FIG. 3 represents a second embodiment of the device according to the invention comprising an optical fiber in which two Bragg gratings are formed.
  • FIG. 4 represents an algorithm of the manufacturing method of an integrated monitoring device according to the present invention.
  • the monitoring device can be integrated in an electrically insulating part such as the wall 1 of an electrical box, the latter being only partially represented.
  • the monitoring device can be integrated into the wall of any enclosure or envelope constructed of an electrically insulating material.
  • the device integrated in the wall of the housing comprises an optical fiber 2 in which at least one Bragg grating is formed. This optical fiber is extended outside the housing to optical coupling means 3 for transmitting an incident light signal and to receive a reflected signal generated by optical reflection of the incident light signal on the patterns of the Bragg grating.
  • a protective seal 4 is used to protect the optical fiber 2. This seal may be Teflon.
  • the incident light signal is generated by a light source 5, for example a tunable ultraviolet laser source with a wavelength of 140 nanometers with a resolution of 1 picometer.
  • the light source can be any type of source known to those skilled in the art.
  • the incident light signal is transmitted by optical coupling means 3 by means of an optical fiber connection 6 connected to said coupling means.
  • the reflected signal is, for its part, transmitted by means of an optical fiber connection 7 which is also coupled to the coupling means 3.
  • the reflected signal is sent by means of the optical fiber connection 7 to spectrum measuring means 8 making it possible, among other things, to measure the wavelength of the reflected signal.
  • the measuring means 8 are connected to processing means 9 by a line 10, said processing means making it possible to determine a deformation information such as a measurement of deformation or an exceeding of a predetermined deformation limit.
  • the processing means 9 are remotely connected to a central unit 11 for collecting any deformation information issued, not only the device integrated in the housing 1, but also other integrated devices not shown.
  • the central unit 11 can be connected to the processing means 8 by any communication means 12 known to those skilled in the art.
  • users of such a monitoring device can perform monitoring, punctual or permanent, on site or remotely. These monitoring operations can be performed on an entire installation, or even on several installations.
  • the part of the optical fiber comprising a network of
  • Bragg is covered by a mechanical protection sheath 14 made of polyimide material, as shown in FIGS. 2 and 3.
  • the mechanical protection sheath is arranged around an optical sheath, not shown.
  • the material of this sheath mechanical protection is adapted to the integration of the device in a thermosetting matrix composite material.
  • the choice of a mechanical protective sheath made of polyimide material also ensures a better temperature resistance during the manufacture by molding of the electrically insulating part and the integrated monitoring device. In addition, such a material makes it possible to resist longer variations in the temperature of use.
  • the integrated monitoring devices are optimized to have a service life of at least twenty-five years, during which time the thermal fatigue effects of a polyimide sheath are not felt.
  • the entire optical fiber is covered by a mechanical protection sheath made of polyimide material.
  • the optical fiber is covered with a coating 13 comprising at least one compound of the thermosetting matrix of the electrically insulating part.
  • the coating 13 completes the adhesion and the interface between the optical fiber comprising the Bragg grating on the one hand, and the material of the electrically insulating part on the other hand.
  • the material of the coating makes it possible to ensure a mechanical continuity between the fiber 2 and the material of the electrically insulating part, so that any stress exerted on said part is transmitted to the optical fiber.
  • the material of the electrically insulating part is a composite material, that is to say an assembly of at least one reinforcement which provides the mechanical strength and a matrix.
  • the matrix is a thermosetting resin which may comprise at least one compound chosen from epoxy, polyurethanes, phenolics and unsaturated polyesters.
  • thermosetting matrix essentially comprises epoxy or polyurethane or an unsaturated polyester.
  • the reinforcement of the electrically insulating parts is, in turn, generally consisting essentially of mineral particles.
  • the material of the electrically insulating parts in which the monitoring device is integrated generally has a glass transition temperature.
  • the coefficient of expansion varies significantly depending on whether the temperature is below or above the glass transition temperature.
  • the monitoring device may be used under close operating conditions of or identical to the glass transition temperature. The amplitude of the deformations can therefore be significant and it is therefore necessary to ensure good mechanical continuity between the composite material of the electrically insulating part and the optical fiber of the integrated monitoring device.
  • the coating 13 may be essentially of the same composition as the thermosetting matrix of the electrically insulating part. This makes it possible to ensure even better mechanical continuity between the composite material of the electrically insulating part 1 and the optical fiber 2 of the integrated monitoring device. Moreover, the selection of a coating of thermosetting material makes it possible to ensure better temperature resistance during the manufacture by molding of the electrically insulating part and the integrated monitoring device. Indeed, the thermosetting matrix of the coating 13 is previously hardened, which gives it an improved temperature resistance enabling it to withstand firing during the subsequent molding of the electrically insulating part allowing integration of the monitoring device in said part. This is all the more true that this molding is accompanied by a significant release of heat caused by the exothermic reactions during curing of the matrix.
  • the optical fiber 31 comprises a first and a second Bragg grating, respectively numbered 32 and 33.
  • the portion of the optical fiber in which is formed the second Bragg grating 33 is mechanically isolated from the electrically insulating part using an elastomeric layer 34.
  • the elastomer layer 34 has a thickness generally between 0.05 and 0.7 times the diameter of the optical fiber.
  • the optical fiber and the elastomeric layer, as well as the first Bragg grating 32, are covered with a coating comprising at least one compound of the thermosetting matrix, or even having a composition essentially identical to this one.
  • the coating 35 substantially covers the portion of the fiber extending between the end embedded in the electrically insulating member and the Teflon seal 36.
  • any deformation generated by mechanical stresses on the electrically insulating part does not cause deformation of the second Bragg grating 33.
  • the elastomeric layer 34 is generally conductive of heat, any variation in temperature of the electrically insulating part is accompanied by a deformation of the Bragg grating 33.
  • the Bragg grating 33 provides information representative of the temperature.
  • the first Bragg grating 32 makes it possible, thanks to the coating 35 covering it, to obtain information representative of a deformation by mechanical stresses exerted on the electrically insulating part.
  • the coating 35 is generally in a heat-conducting material
  • the first Bragg grating 32 also makes it possible to obtain information representative of the temperature of the electrically insulating part which is superimposed with the information representative of the deformation by mechanical stresses.
  • the invention also relates to a method for integrating the monitoring device described above.
  • a method of manufacturing an integrated monitoring device comprises:
  • a coating step 101 of the optical fiber with a coating composition comprising at least one compound of the thermosetting matrix of the electrically insulating part
  • the encapsulation step 101 essentially concerns the part of the optical fiber intended to be incorporated in the electrically insulating part, in this case the part of the fiber extending between the end incorporated in the electrically insulating piece and the Teflon protection seal 4 or 36.
  • the molding 103 of the electrically insulating part can be achieved by any means known to those skilled in the art, such as a gravitational casting.
  • the coating composition used during the coating step 101 of the optical fiber may consist essentially of the compounds of the thermosetting matrix of the electrically insulating part.
  • the coating step 101 comprises:
  • a surface treatment 111 preferably solvent cleaning in an ultrasonic bath
  • the adhesion promoter of the step 112 may be a compound in the liquid state containing acid-base functions or a liquid compound belonging to the family of organosilanes.
  • the dipping step may be carried out by any means known to those skilled in the art, such as maintaining in a thermostatic bath with a temperature and immersion time favorable to the establishment of a continuous layer and of homogeneous thickness.
  • the cooking step may be carried out by any means known to those skilled in the art, such as in an autoclave followed by cooking in an oven.
  • the method may comprise a preliminary coating step 104, of a portion of the fiber in which a second Bragg grating is formed, by a layer of elastomer.
  • This prior coating step may comprise: a masking 120 of at least a portion of the optical fiber in which the first Bragg grating is formed by means of a mask,
  • a surface treatment 121 preferably solvent cleaning in an ultrasound bath
  • the masking step 120 can advantageously be performed on the portions of the optical fiber extending on either side of the second Bragg grating so as to cover the portion of the fiber extending between the end incorporated in the electrically insulating piece and the protective seal in tefion 36, with the exception of the second Bragg grating.
  • the second Bragg grating 33 is covered by the elastomer layer 34.
  • An advantage of the monitoring device is to be able to prevent any critical failure for the durability of one or more electrically insulating parts of an electrical installation. These failures can be of thermal origin, for example when the temperature is close to the glass transition temperature of the thermosetting matrix. These thermal failures can be caused by overheating of the installation, severe weather conditions or a combination of phenomena. These failures can also be generated by mechanical constraints. These failures can also be caused by plasticizing the material of the insulating electrical part due to prolonged exposure to moisture. Thus, the implementation of these monitoring devices makes it possible to increase the reliability of the electrical installations.
  • Another advantage of the monitoring device is to allow local or remote monitoring. It is also possible to implement a plurality of monitoring devices and perform remote monitoring using a centralizer. Another advantage of the monitoring device is that it does not generate electromagnetic phenomena that may have an impact on the operation of the surrounding electrical components.
  • Another advantage of the monitoring device is that it has a lifetime of the same order of magnitude as those of electrical installations.
  • Another advantage of the monitoring device is that it is small and can easily be integrated into an electrically insulating part made of a thermosetting matrix composite material. Furthermore, this material provides good performance of mechanical strength, dielectric strength, fire resistance and a high level of integration.
  • Another advantage of the embodiment of the monitoring device comprising two Bragg gratings is that it makes it possible to decouple the effects of temperature from those of the mechanical stresses.
  • the monitoring device is advantageously implemented on housings or tanks containing electrical components under a pressure of a dielectric gas or a cutoff gas, such as sulfur hexafluoride.
  • a dielectric gas or a cutoff gas such as sulfur hexafluoride.
  • the use of the monitoring device is particularly interesting that the housing or the tank in which it is integrated has a bursting membrane.
  • the monitoring device is advantageously used in electrotechnical applications at medium voltage, such as in circuit breakers, disconnectors or switches.
  • the monitoring device can be used in other applications such as transformer insulators, wind power plants, as well as low voltage or power applications, for example insulating electrical boxes.

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Abstract

Un dispositif intégré de surveillance d'une pièce (1) électriquement isolante comprenant une fibre optique (2, 31) dans lequel est formé au moins un réseau de Bragg (21, 32), la pièce électriquement isolante étant réalisée dans un matériau composite à matrice thermodurcissable, et la fibre optique comportant une gaine de protection mécanique en matériau polyimide (14). Une pièce électriquement isolante (1) ou une enceinte électriquement isolante dans laquelle est intégré le dispositif précédent. Un procédé de fabrication du dispositif précédent comprenant un positionnement (102) d'une partie d'une fibre optique dans laquelle est formé au moins un réseau de Bragg dans un moule pour former la pièce électriquement isolante, et le moulage (103) de la pièce électriquement isolante.

Description

DISPOSITIF INTEGRE DE SURVEILLANCE DES DEFORMATIONS D'UNE PIECE ELECTRIQUEMENT ISOLANTE ET PROCEDE DE FABRICATION D'UN TEL DISPOSITIF
DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION
[0001] L'invention relève du domaine des dispositifs de surveillance des déformations d'une structure mécanique.
[0002] L'invention concerne plus particulièrement un dispositif intégré de surveillance des déformations d'une pièce électriquement isolante pour installation électrique, ledit dispositif comprenant une fibre optique dans laquelle est formé au moins un premier réseau de Bragg.
[0003J L'invention concerne également une pièce électriquement isolante pour installation électrique formée dans un matériau composite, telle qu'une enceinte électriquement isolante destinée à recevoir des composants électriques.
[0004] L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un dispositif intégré de surveillance des déformations d'une pièce électriquement isolante pour installation électrique.
ETAT DE LA TECHNIQUE ,
[0005] II est connu d'utiliser des fibres optiques comportant des réseaux de Bragg en les incorporant dans une structure mécanique afin de mesurer ou de détecter des déformations de cette structure. Le réseau de Bragg est généralement gravé sur la fibre optique et présente un motif périodique reproduit avec un certain pas permettant de définir une longueur d'onde caractéristique dudit réseau. L'envoi d'un signal lumineux incident dans cette fibre optique engendre des réflexions multiples par les motifs du réseau de Bragg, et en l'absence de déformation de ce réseau, le signal réfléchi présente une longueur d'onde sensiblement égale à la longueur d'onde caractéristique du réseau. Toute déformation de la partie de la fibre optique comportant le réseau de Bragg, telle qu'une dilatation ou une contraction, engendre une variation de la longueur d'onde du signal réfléchi qui est représentative de cette déformation. Ainsi, une partie de fibre optique comportant un réseau de Bragg peut être insérée dans une structure mécanique pour mesurer, détecter ou surveiller toute déformation de cette structure. Une particularité des réseaux de Bragg gravés dans les fibres optiques est qu'ils sont très sensibles aux moindres déformations ayant une amplitude inférieure à l'angstrœm.
[0006] La demande de brevet français FR2791768 décrit un tel dispositif comportant un réseau de Bragg pour mesurer les déformations d'une structure à surveiller, ainsi que les moyens mis en œuvre pour intégrer ce dispositif et le rendre solidaire de la structure à surveiller.
[0007] Les pièces électriquement isolantes utilisées dans les installations électriques, telles que des boîtiers ou des cuves destinés à recevoir des composants électriques, peuvent être soumises à des contraintes mécaniques. A titre d'exemple, ces contraintes mécaniques peuvent être générées par des variations de pression d'un gaz de coupure. Ces contraintes mécaniques peuvent également être générées par une plastification du matériau électriquement isolant à cause, par exemple, d'un fort taux d'humidité ambiante.
[0008] Les pièces électriquement isolantes utilisées dans les installations électriques peuvent aussi être soumises à des variations de température, par exemple des échauffements par les composants électriques de l'installation ou encore des variations des conditions environnementales.
[0009| Les pièces électriquement isolantes utilisées dans les installations électriques, telles que des boîtiers ou des cuves destinés à recevoir des composants électriques, sont généralement fabriquées dans un matériau composite à matrice thermodurcissable. Le matériau de ces pièces est généralement sensible aux variations de température, ce qui peut engendrer des déformations conduisant à des dommages pouvant être préjudiciables au bon fonctionnement des installations. De surcroît, le matériau de ces pièces électriquement isolantes présente une température de transition vitreuse qui peut, dans certaines conditions, être proche de la plage de température d'utilisation.
|0010] Un objet de la présente invention est donc de surveiller les déformations de ces pièces électriquement isolantes, telles que des boîtiers ou des cuves destinés à recevoir des composants électriques, afin de prévenir tout risque d'endommagement préjudiciable à l'installation. Un problème technique est la mise en œuvre d'un dispositif de surveillance utilisant une fibre optique dans un matériau composite dont la matrice peut présenter une température de transition vitreuse proche de la température d'utilisation. Un autre problème technique est celui de l'intégration d'un tel dispositif dans une pièce électriquement isolante lors d'un processus de moulage s 'accompagnant souvent de réactions exothermiques.
EXPOSE DE L'INVENTION
[0011] L'invention vise à remédier aux problèmes techniques des dispositifs de l'art antérieur en proposant un dispositif intégré de surveillance des déformations d'une pièce électriquement isolante pour installation électrique, ledit dispositif comprenant une fibre optique dans laquelle est formé au moins un premier réseau de Bragg.
[0012] Dans le dispositif de surveillance selon l'invention, la pièce électriquement isolante est réalisée dans un matériau composite à matrice thermodurcissable, la fibre optique comporte une gaine de protection mécanique en matériau polyimide, et la fibre optique est recouverte d'un revêtement comportant au moins un composé de la matrice thermodurcissable.
[0013] De préférence, le revêtement est essentiellement de même composition que la matrice thermodurcissable de la pièce électriquement isolante.
[0014] Selon un mode de réalisation, la matrice thermodurcissable comporte au moins un composé choisi parmi l'époxy, les polyuréthanes, les phénoliques et les polyesters insaturés. De préférence, la matrice thermodurcissable comporte essentiellement un composé choisi parmi l'époxy, le polyuréthane et un polyester insaturé.
[0015] Selon un mode de réalisation préféré, la fibre optique comporte une portion dans laquelle est formé un second réseau de Bragg, ladite portion étant isolée mécaniquement de la pièce électriquement isolante. De préférence, la portion de la fibre dans laquelle est formé le second réseau de Bragg est recouverte d'une couche en élastomère. Avantageusement, la couche en élastomère présente une épaisseur comprise entre 0,05 et 0,7 fois le diamètre de la fibre optique. [0016] L'invention concerne également une pièce électriquement isolante pour installation électrique formée dans un matériau composite dans laquelle le dispositif de surveillance décrit précédemment est intégré dans ladite pièce.
[0017| L'invention concerne également, une enceinte électriquement isolante, destinée à recevoir des composants électriques, formée dans un matériau composite dans laquelle le dispositif de surveillance décrit précédemment est intégré dans ladite enceinte.
[00181 L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un dispositif intégré de surveillance des déformations d'une pièce électriquement isolante pour installation électrique, ledit procédé comprenant :
- une étape d'enrobage d'une fibre optique dans laquelle est formé au moins un premier réseau de Bragg par une composition d'enrobage comprenant au moins un composé de la matrice thermodurcissable de la pièce électriquement isolante,
un positionnement d'une partie de la fibre optique dans laquelle est formé au moins un premier réseau de Bragg dans un moule pour former la pièce électriquement isolante, et
- le moulage de la pièce électriquement isolante.
[0019] De préférence, la composition d'enrobage est constituée essentiellement par les composés de la matrice thermodurcissable de la pièce électriquement isolante.
[0020] Selon un mode de réalisation du procédé de l'invention, l'étape d'enrobage comporte :
- un traitement de surface,
l'application d'un agent promoteur d'adhésion,
- un trempage dans le matériau d'enrobage, et
une étape de cuisson dudit matériau d'enrobage. [0021] Selon un mode de réalisation, le procédé comporte une étape d'enrobage préalable d'une portion de la fibre, dans laquelle est formé un second réseau de Bragg, par une couche en élastomère. De préférence, l'étape d'enrobage préalable comporte :
un traitement de surface,
- l'application d'un agent promoteur d'adhésion,
un trempage dans le matériau d'enrobage, et
une étape de cuisson dudit matériau d'enrobage.
[0022] De préférence, l'étape d'enrobage préalable comporte un masquage initial d'au moins une portion de la fibre optique dans laquelle est formé le premier réseau de Bragg.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
[0023] D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui suit de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, et représentés dans les figures annexées.
[0024] La figure 1 représente un exemple de mise en œuvre du dispositif intégré de surveillance selon l'invention sur la paroi d'une cuve ou d'un boîtier pour une installation électrique.
[0025] La figure 2 représente un premier mode de réalisation du dispositif selon l'invention comportant une fibre optique dans laquelle est formé un réseau de Bragg.
[0026] La figure 3 représente un second mode de réalisation du dispositif selon l'invention comportant une fibre optique dans laquelle sont formés deux réseaux de Bragg.
[0027] La figure 4 représente un algorithme du procédé de fabrication d'un dispositif de surveillance intégré selon la présente invention.
DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION
[0028] Comme cela est représenté à la figure 1 , le dispositif de surveillance peut être intégré dans une pièce électriquement isolante telle que la paroi 1 d'un boîtier électrique, ce dernier n'étant représenté que partiellement. Le dispositif de surveillance peut être intégré à la paroi de toute enceinte ou enveloppe construite dans un matériau électriquement isolant. Le dispositif intégré dans la paroi du boîtier comprend une fibre optique 2 dans laquelle est formé au moins un réseau de Bragg. Cette fibre optique se prolonge à l'extérieur du boîtier jusqu'à des moyens de couplage optique 3 permettant de transmettre un signal lumineux incident et de recevoir un signal réfléchi généré par réflexion optique du signal lumineux incident sur les motifs du réseau de Bragg. Un joint de protection 4 est utilisé pour protéger la fibre optique 2. Ce joint peut être en téflon. Le signal lumineux incident est généré par une source lumineuse 5, par exemple une source laser ultraviolet accordable avec une longueur d'onde de 140 nanomètres avec une résolution de 1 picomètre. La source lumineuse peut être tout type de source connue de l'homme du métier. Le signal lumineux incident est transmis par des moyens de couplage optique 3 à l'aide d'une connexion par fibre optique 6 reliée audits moyens de couplage. Le signal réfléchi est, quant à lui, transmis à l'aide d'une connexion par fibre optique 7 qui est également couplée aux moyens de couplage 3. Le signal réfléchi est envoyé à l'aide de la connexion par fibre optique 7 vers des moyens de mesure 8 de spectre permettant, entre autres, de mesurer la longueur d'onde du signal réfléchi. Les moyens de mesure 8 sont connectés à des moyens de traitement 9 par une ligne 10, lesdits moyens de traitement permettant de déterminer une information de déformation telle qu'une mesure de déformation ou un dépassement d'une limite de déformation prédéterminée.
[0029] Dans le mode de réalisation représenté à la figure 1 , les moyens de traitement 9 sont connectés à distance à une centrale 11 permettant de recueillir toute information de déformation issue, non seulement du dispositif intégré dans le boîtier 1 , mais également d'autres dispositifs intégrés non représentés. La centrale 11 peut être connectée aux moyens de traitement 8 par tout moyen de communication 12 connu de l'homme du métier. Ainsi, les utilisateurs d'un tel dispositif de surveillance peuvent effectuer des surveillances, ponctuelles ou permanentes, sur site ou à distance. Ces opérations de surveillance peuvent être réalisées sur l'ensemble d'une installation, voire sur plusieurs installations.
[0030J Selon un aspect de l'invention, la partie de la fibre optique comportant un réseau de
Bragg est recouverte par une gaine de protection mécanique 14 en matériau polyimide, tel que représenté sur les figures 2 et 3. Généralement, la gaine de protection mécanique est disposée autour d'une gaine optique non représentée. Le matériau de cette gaine de protection mécanique est adapté à l'intégration du dispositif dans un matériau composite à matrice thermodurcissable. Le choix d'une gaine de protection mécanique en matériau polyimide permet également d'assurer une meilleure tenue en température lors de la fabrication par moulage de la pièce électriquement isolante et du dispositif intégré de surveillance. De surcroît, un tel matériau permet de résister plus longtemps à des variations de la température d'utilisation. En effet, les dispositifs intégrés de surveillance sont optimisés pour avoir une durée de vie d'au moins vingt cinq ans, durée pendant laquelle les effets de fatigue thermique d'une gaine en polyimide ne se font pas ressentir. Dans les modes de réalisation décrits, l'ensemble de la fibre optique est recouverte par une gaine de protection mécanique en matériau polyimide
[0031] Dans les modes de réalisation représentés sur les figures 1 , 2 et 3, la fibre optique est recouverte d'un revêtement 13 comprenant au moins un composé de la matrice thermodurcissable de la pièce électriquement isolante. Le revêtement 13 permet de parfaire l'adhésion et l'interface entre la fibre optique comportant le réseau de Bragg d'une part, et le matériau de la pièce électriquement isolante d'autre part. Le matériau du revêtement permet d'assurer une continuité mécanique entre la fibre 2 et le matériau de la pièce électriquement isolante, de sorte que toute contrainte exercée sur ladite pièce est transmise à la fibre optique.
[0032J Le matériau de la pièce électriquement isolante est un matériau composite, c'est à dire un assemblage d'au moins un renfort qui assure la tenue mécanique et d'une matrice.
La matrice est une résine thermodurcissable pouvant comporter au moins un composé choisi parmi l'époxy, les polyuréthanes, les phénoliques et les polyesters insaturés.
Avantageusement, la matrice thermodurcissable comporte essentiellement de l'époxy ou du polyuréthane ou un polyester insaturé. Le renfort des pièces électriquement isolantes est, quant à lui, généralement essentiellement constitué par des particules minérales.
[0033] Le matériau des pièces électriquement isolantes dans lesquelles le dispositif de surveillance est intégré présente généralement une température de transition vitreuse. Ainsi, le coefficient de dilation varie significativement selon si la température est au- dessous ou au-dessus de la température de transition vitreuse. Dans certaines circonstances, le dispositif de surveillance peut être utilisé dans des conditions de fonctionnement proche de ou identique à la température de transition vitreuse. L'amplitude des déformations peut donc être importante et il est donc nécessaire d'assurer une bonne continuité mécanique entre le matériau composite de la pièce électriquement isolante et la fibre optique du dispositif intégré de surveillance.
[00341 Le revêtement 13 peut être essentiellement de même composition que la matrice thermodurcissable de la pièce électriquement isolante. Ceci permet d'assurer encore une meilleure continuité mécanique entre le matériau composite de la pièce électriquement isolante 1 et la fibre optique 2 du dispositif intégré de surveillance. Par ailleurs, la sélection d'un revêtement en matériau thermodurcissable permet d'assurer une meilleure tenue en température lors de la fabrication par moulage de la pièce électriquement isolante et du dispositif intégré de surveillance. En effet, la matrice thermodurcissable du revêtement 13 est préalablement durcie, ce qui lui confère une tenue en température améliorée lui permettant de résister à la cuisson lors du moulage ultérieur de la pièce électriquement isolante permettant l'intégration du dispositif de surveillance dans ladite pièce. Ceci est d'autant plus vrai que ce moulage s'accompagne d'un dégagement de chaleur important provoqué par les réactions exothermiques lors du durcissement de la matrice.
[0035] Dans le mode de réalisation représenté à la figure 3, la fibre optique 31 comporte un premier et un second réseau de Bragg, respectivement numérotés 32 et 33. La portion de la fibre optique dans laquelle est formé le second réseau de Bragg 33 est isolée mécaniquement de la pièce électriquement isolante à l'aide d'une couche en élastomère 34. La couche en élastomère 34 présente une épaisseur généralement comprise entre 0,05 et 0,7 fois le diamètre de la fibre optique. La fibre optique et la couche en élastomère, ainsi que le premier réseau de Bragg 32, sont recouverts d'un revêtement 35 comprenant au moins un composé de la matrice thermodurcissable, voire ayant une composition essentiellement identique à celle-ci. Le revêtement 35 recouvre essentiellement la partie de la fibre s'étendant entre l'extrémité incorporée dans la pièce électriquement isolante et le joint de protection en téflon 36.
[0036] Grâce à la couche en élastomère 34, toute déformation générée par des contraintes mécaniques exercées sur la pièce électriquement isolante n'engendre pas de déformation du second réseau de Bragg 33. La couche en élastomère 34 étant généralement conductrice de la chaleur, toute variation de température de la pièce électriquement isolante s'accompagne d'une déformation du réseau de Bragg 33. Ainsi, le réseau de Bragg 33 permet d'obtenir une information représentative de la température.
[0037J Comme dans le mode de réalisation de la figure 2, le premier réseau de Bragg 32 permet, grâce au revêtement 35 le recouvrant, d'obtenir une information représentative d'une déformation par contraintes mécaniques exercées sur la pièce électriquement isolante. Le revêtement 35 étant généralement dans un matériau conducteur de chaleur, le premier réseau de Bragg 32 permet également d'obtenir une information représentative de la température de la pièce électriquement isolante qui se superpose avec l'information représentative de la déformation par contraintes mécaniques.
[0038] Par un traitement approprié, il est possible de découpler les effets de la température de ceux des contraintes mécaniques. Il est donc possible de déterminer, à la fois une information représentative de la température, par l'intermédiaire du réseau 33, ainsi qu'une information représentative des contraintes mécaniques, par l'intermédiaire des deux réseaux. En effet, l'information représentative des contraintes mécaniques peut être obtenue par la différence entre les déformations mesurées par les réseaux 32 et 33.
[0039] L'invention concerne également un procédé pour intégrer le dispositif de surveillance décrit précédemment. Comme cela est représenté à la figure 4, un mode du procédé de fabrication d'un dispositif intégré de surveillance comprend :
- une étape d'enrobage 101 de la fibre optique par une composition d'enrobage comprenant au moins un composé de la matrice thermodurcissable de la pièce électriquement isolante,
- un positionnement 102 d'une partie de la fibre optique enrobée dans laquelle est formé au moins un premier réseau de Bragg dans un moule pour former la pièce électriquement isolante, et
- le moulage 103 de la pièce électriquement isolante.
[0040] L'étape d'enrobage 101 concerne essentiellement la partie de la fibre optique destinée à être incorporée dans la pièce électriquement isolante, en l'occurrence la partie de la fibre s'étendant entre l'extrémité incorporée dans la pièce électriquement isolante et le joint de protection en téflon 4 ou 36.
[0041] Le moulage 103 de la pièce électriquement isolante peut être réalisé par tout moyen connu de l'homme du métier, telle qu'une coulée gravitationnelle.
[0042] La composition d'enrobage utilisée lors de l'étape d'enrobage 101 de la fibre optique peut être constituée essentiellement par les composés de la matrice thermodurcissable de la pièce électriquement isolante.
[0043] Dans le mode représenté à la figure 4, l'étape d'enrobage 101 comporte :
un traitement de surface 111 , de préférence nettoyage par solvant en bain ultrason,
- l'application d'un agent promoteur d'adhésion 112,
un trempage dans le matériau d'enrobage 113, et
- une étape de cuisson dudit matériau d'enrobage 114.
[0044] L'agent promoteur d'adhésion de l'étape 112 peut être un composé à l'état liquide renfermant des fonctions acido-basiques ou un composé liquide appartenant à la famille des organo-silanes.
[0045] L'étape de trempage peut être réalisée par tout moyen connu de l'homme du métier, tel que le maintien dans un bain thermostaté avec une température et un temps d'immersion favorables à l'établissement d'une couche continue et d'épaisseur homogène.
[0046] L'étape de cuisson peut être réalisée par tout moyen connu de l'homme du métier, tel que dans un autoclave suivi par une cuisson dans une étuve.
[0047] Dans le cas d'une fibre optique comportant deux réseaux de Bragg, le procédé peut comporter une étape d'enrobage préalable 104, d'une portion de la fibre dans laquelle est formé un second réseau de Bragg, par une couche en élastomère. Cette étape d'enrobage préalable peut comporter : - un masquage 120 d'au moins une portion de la fibre optique dans laquelle est formé le premier réseau de Bragg à l'aide d'un masque,
- un traitement de surface 121 , de préférence nettoyage par solvant en bain ultrason,
l'application d'un agent promoteur d'adhésion 122,
- un trempage dans le matériau d'enrobage 123,
une étape de cuisson dudit matériau d'enrobage 124, par exemple dans un autoclave, et
- une étape 125 pour éliminer le masque.
[0048] L'étape de masquage 120 peut avantageusement être réalisée sur les parties de la fibre optique s'étendant de part et d'autre du second réseau de Bragg de façon à couvrir la partie de la fibre s'étendant entre l'extrémité incorporée dans la pièce électriquement isolante et le joint de protection en téfion 36, à l'exception du second réseau de Bragg. Ainsi, comme dans le mode de réalisation représenté à la figure 3, seul le second réseau de Bragg 33 est recouvert par la couche en élastomère 34.
[0049| Un avantage du dispositif de surveillance est de pouvoir prévenir toute défaillance critique pour la pérennité d'une ou de plusieurs pièces électriquement isolantes d'une installation électrique. Ces défaillances peuvent être d'origine thermique, par exemple lorsque la température est proche de la température de transition vitreuse de la matrice thermodurcissable. Ces défaillances d'origine thermique peuvent être provoquées par des échauffements de l'installation, par des conditions climatiques sévères ou par une combinaison des phénomènes. Ces défaillances peuvent également être générées par des contraintes mécaniques. Ces défaillances peuvent également être provoquées par une plastification du matériau de la pièce électrique isolante à cause d'une exposition prolongée à l'humidité. Ainsi, la mise en œuvre de ces dispositifs de surveillance permet d'augmenter la fiabilité des installations électriques.
[0050| Un autre avantage du dispositif de surveillance est de permettre une surveillance locale ou à distance. Il est également possible de mettre en œuvre une pluralité de dispositifs de surveillance et de réaliser une surveillance à distance à l'aide d'un centralisateur. [0051] Un autre avantage du dispositif de surveillance est qu'il ne génère pas de phénomène électromagnétique pouvant avoir un impact sur le fonctionnement des composants électriques environnants.
[0052] Un autre avantage du dispositif de surveillance est qu'il présente une durée de vie du même ordre de grandeur que celles des installations électriques.
[0053] Un autre avantage du dispositif de surveillance est qu'il est de petite taille et qu'il peut facilement être intégré dans une pièce électriquement isolante réalisée dans un matériau composite à matrice thermodurcissable. Par ailleurs, ce matériau permet d'obtenir de bonnes performances de tenue mécanique, de tenue diélectrique, de résistance au feu et un fort niveau d'intégration.
[0054] Un autre avantage du mode de réalisation du dispositif de surveillance comportant deux réseaux de Bragg est qu'il permet de découpler les effets de la température de ceux des contraintes mécaniques.
[0055] Le dispositif de surveillance est avantageusement mis en œuvre sur des boîtiers ou des cuves renfermant des composants électriques sous une pression d'un gaz diélectrique ou d'un gaz de coupure, tel que l'hexafluorure de soufre. L'utilisation du dispositif de surveillance est d'autant plus intéressante que le boîtier ou la cuve dans laquelle il est intégré comporte une membrane d'éclatement.
[0056] Le dispositif de surveillance est avantageusement utilisé dans des applications électrotechniques en moyenne tension, tel que dans des disjoncteurs, des sectionneurs ou des interrupteurs.
[0057] Le dispositif de surveillance peut être utilisé dans des applications autres comme les isolants de transformateurs, les installations éoliennes, ainsi que des applications en basse tension ou de puissance, par exemple des boîtiers électriques isolants.

Claims

REVENDICATIONS
I. Dispositif intégré de surveillance des déformations d'une pièce (1) électriquement isolante pour installation électrique, ledit dispositif comprenant une fibre optique (2, 31) dans laquelle est formé au moins un premier réseau de Bragg (21, 32), caractérisé en ce que la pièce électriquement isolante est réalisée dans un matériau composite à matrice thermodurcissable, en ce que la fibre optique comporte une gaine de protection mécanique (14) en matériau polyimide, et en ce que la fibre optique est recouverte d'un revêtement (13, 35) comportant au moins un composé de la matrice thermodurcissable.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le revêtement (13, 35) est essentiellement de même composition que la matrice thermodurcissable de la pièce électriquement isolante.
3. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que la matrice thermodurcissable comporte au moins un composé choisi parmi l'époxy, les polyuréthanes, les phénoliques et les polyesters insaturés.
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la matrice thermodurcissable comporte essentiellement un composé choisi parmi l'époxy, le polyuréthane et un polyester insaturé.
5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la fibre optique (2, 31) comporte une portion dans laquelle est formé un second réseau de Bragg (33), ladite portion étant isolée mécaniquement de la pièce électriquement isolante.
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la portion de la fibre dans laquelle est formé le second réseau de Bragg est recouverte d'une couche en élastomère (34).
7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la couche en élastomère (34) présente une épaisseur comprise entre 0,05 et 0,7 fois le diamètre de la fibre optique.
8. Pièce électriquement isolante (1) pour installation électrique formée dans un matériau composite caractérisée en ce que le dispositif selon l'une des revendications l à 7 est intégré dans ladite pièce.
9. Enceinte électriquement isolante, destinée à recevoir des composants électriques, formée dans un matériau composite caractérisée en ce que le dispositif selon l'une des revendications l à 7 est intégré dans ladite enceinte.
10. Procédé de fabrication d'un dispositif intégré de surveillance des déformations d'une pièce électriquement isolante pour installation électrique, caractérisé en ce que le procédé comprend :
- une étape d'enrobage (101) d'une fibre optique dans laquelle est formé au moins un premier réseau de Bragg par une composition d'enrobage comprenant au moins un composé de la matrice thermodurcissable de la pièce électriquement isolante, - un positionnement (102) d'une partie de la fibre optique dans un moule pour former la pièce électriquement isolante, et
- le moulage (103) de la pièce électriquement isolante.
1 1. Procédé selon la revendication 10 caractérisé en ce que la composition d'enrobage est constituée essentiellement par les composés de la matrice thermodurcissable de la pièce électriquement isolante.
12. Procédé selon l'une des revendications 10 ou 1 1 caractérisé en ce que l'étape d'enrobage comporte : - un traitement de surface (1 11),
- l'application d'un agent promoteur d'adhésion (1 12),
- un trempage (113) dans le matériau d'enrobage, et
- une étape de cuisson (114) dudit matériau d'enrobage.
13. Procédé selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisé en ce qu'il comporte une étape d'enrobage préalable (104) d'une portion de la fibre, dans laquelle est formé un second réseau de Bragg, par une couche en élastomère.
14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'étape d'enrobage préalable (104) comporte :
- un traitement de surface (121), - l'application d'un agent promoteur d'adhésion (122),
- un trempage (123) dans le matériau d'enrobage, et
- une étape de cuisson (124) dudit matériau d'enrobage.
15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'étape d'enrobage préalable comporte un masquage initial (120) d'au moins une portion de la fibre optique dans laquelle est formé le premier réseau de Bragg.
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